PCB設(shè)計(jì)技術(shù)問答精粹

于混合電路PCB材質(zhì)選擇及布線注意事項(xiàng)

問：在當(dāng)今無線通信設(shè)備中，射頻部分往往采用小型化的室外單元結(jié)構(gòu)，而室外單元的射頻部分、中頻部分，以及對(duì)室外單元進(jìn)行監(jiān)控的低頻電路部分往往部署在同一PCB上。請(qǐng)問，對(duì)這樣的PCB布線在材質(zhì)上有何要求?如何防止射頻、中頻以及低頻電路互相之間的干擾?

答：混合電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的問題，很難有一個(gè)完美的解決方案。一般射頻電路在系統(tǒng)中都作為一個(gè)獨(dú)立的單板進(jìn)行布局布線，甚至?xí)袑ｉT的屏蔽腔體。而且射頻電路一般為單面或雙面板，電路較為簡單，所有這些都是為了減少對(duì)射頻電路分布參數(shù)的影響，提高射頻系統(tǒng)的一致性。相對(duì)于一般的FR4材質(zhì)，射頻電路板傾向與采用高Q值的基材，這種材料的介電常數(shù)比較小，傳輸線分布電容較小，阻抗高，信號(hào)傳輸時(shí)延小。

在混合電路設(shè)計(jì)中，雖然射頻，數(shù)字電路做在同一塊PCB上，但一般都分成射頻電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)，分別布局布線。之間用接地過孔帶和屏蔽盒屏蔽。

關(guān)于輸入、輸出端接的方式與規(guī)則

問：現(xiàn)代高速PCB設(shè)計(jì)中，為了保證信號(hào)的完整性，常常需要對(duì)器件的輸入或輸出端進(jìn)行端接。請(qǐng)問端接的方式有哪些?采用端接的方式是由什么因素決定的?有什么規(guī)則?

答：端接(terminal),也稱匹配。一般按照匹配位置分有源端匹配和終端匹配。其中源端匹配一般為電阻串聯(lián)匹配，終端匹配一般為并聯(lián)匹配，方式比較多，有電阻上拉，電阻下拉，戴維南匹配，AC匹配，肖特基二極管匹配。匹配采用方式一般由BUFFER特性，拓普情況，電平種類和判決方式來決定，也要考慮信號(hào)占空比，系統(tǒng)功耗等。數(shù)字電路最關(guān)鍵的是時(shí)序問題，加匹配的目的是改善信號(hào)質(zhì)量，在判決時(shí)刻得到可以確定的信號(hào)。對(duì)于電平有效信號(hào)，在保證建立、保持時(shí)間的前提下，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定;對(duì)延有效信號(hào)，在保證信號(hào)延單調(diào)性前提下，信號(hào)變化延速度滿足要求。

在處理布線密度時(shí)應(yīng)注意哪些問題?

問：在電路板尺寸固定的情況下，如果設(shè)計(jì)中需要容納更多的功能，就往往需要提高PCB的走線密度，但是這樣有可能導(dǎo)致走線的相互干擾增強(qiáng)，同時(shí)走線過細(xì)也使阻抗無法降低，請(qǐng)問在高速(>100MHz)高密度PCB設(shè)計(jì)中有哪些技巧?

答：在設(shè)計(jì)高速高密度PCB時(shí)，串?dāng)_(crosstalk interference)確實(shí)是要特別注意的，因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)序(timing)與信號(hào)完整性(signal integrity)有很大的影響。以下提供幾個(gè)注意的地方： 1.控制走線特性阻抗的連續(xù)與匹配。 2.走線間距的大小。一般?？吹降拈g距為兩倍線寬。可以透過仿真來知道走線間距對(duì)時(shí)序及信號(hào)完整性的影響，找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。 3.選擇適當(dāng)?shù)亩私臃绞健?4.避免上下相鄰兩層的走線方向相同，甚至有走線正好上下重迭在一起，因?yàn)檫@種串?dāng)_比同層相鄰走線的情形還大。 5.利用盲埋孔(blind/buried via)來增加走線面積。但是PCB板的制作成本會(huì)增加。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)確實(shí)很難達(dá)到完全平行與等長，不過還是要盡量做到。除此以外，可以預(yù)留差分端接和共模端接，以緩和對(duì)時(shí)序與信號(hào)完整性的影響。

關(guān)于PCB設(shè)計(jì)中的阻抗匹配問題

問：在高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)為了防止反射就要考慮阻抗匹配，但由于PCB的加工工藝限制了阻抗的連續(xù)性而仿真又仿不到，在原理圖的設(shè)計(jì)時(shí)怎樣來考慮這個(gè)問題?另外關(guān)于IBIS模型，不知在那里能提供比較準(zhǔn)確的IBIS模型庫。我們從網(wǎng)上下載的庫大多數(shù)都不太準(zhǔn)確，很影響仿真的參考性。

答：在設(shè)計(jì)高速PCB電路時(shí)，阻抗匹配是設(shè)計(jì)的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對(duì)的關(guān)系， 例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline)，與參考層(電源層或地層)的距離，走線寬度，PCB材質(zhì)等均會(huì)影響走線的特性阻抗值。也就是說要在布線后才能確定阻抗值。一般仿真軟件會(huì)因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時(shí)候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接)，如串聯(lián)電阻等，來緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問題的方法還是布線時(shí)盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。 IBIS模型的準(zhǔn)確性直接影響到仿真的結(jié)果?；旧螴BIS可看成是實(shí)際芯片I/O buffer等效電路的電氣特性資料，一般可由SPICE模型轉(zhuǎn)換而得 (亦可采用測量， 但限制較多)，而SPICE的資料與芯片制造有絕對(duì)的關(guān)系，所以同樣一個(gè)器件不同芯片廠商提供，其SPICE的資料是不同的，進(jìn)而轉(zhuǎn)換后的IBIS模型內(nèi)之資料也會(huì)隨之而異。也就是說，如果用了A廠商的器件，只有他們有能力提供他們器件準(zhǔn)確模型資料，因?yàn)闆]有其它人會(huì)比他們更清楚他們的器件是由何種工藝做出來的。如果廠商所提供的IBIS不準(zhǔn)確， 只能不斷要求該廠商改進(jìn)才是根本解決之道。

關(guān)于高速PCB設(shè)計(jì)中的EMC、EMI問題

問：在高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)我們使用的軟件都只不過是對(duì)設(shè)置好的EMC、EMI規(guī)則進(jìn)行檢查，而設(shè)計(jì)者應(yīng)該從那些方面去考慮EMC、EMI的規(guī)則?怎樣設(shè)置規(guī)則?

答：一般EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個(gè)方面. 前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(30MHz). 所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分. 一個(gè)好的EMI/EMC設(shè)計(jì)必須一開始布局時(shí)就要考慮到器件的位置, PCB迭層的安排, 重要聯(lián)機(jī)的走法, 器件的選擇等, 如果這些沒有事前有較佳的安排, 事后解決則會(huì)事倍功半, 增加成本. 例如時(shí)鐘產(chǎn)生器的位置盡量不要靠近對(duì)外的連接器, 高速信號(hào)盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射, 器件所推的信號(hào)之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分, 選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時(shí)注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲. 另外, 注意高頻信號(hào)電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance盡量小)以減少輻射. 還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍. 最后, 適當(dāng)?shù)倪x擇PCB與外殼的接地點(diǎn)(chassis ground)。

關(guān)于高速差分信號(hào)的布線技巧

問：在pcb上靠近平行走高速差分信號(hào)線對(duì)的時(shí)候，在阻抗匹配的情況下，由于兩線的相互耦合，會(huì)帶來很多好處。但是有觀點(diǎn)認(rèn)為這樣會(huì)增大信號(hào)的衰減，影響傳輸距離，為什么?我在一些大公司的評(píng)估板上看到高速布線有的盡量靠近且平行，而有的卻有意的使兩線距離忽遠(yuǎn)忽近，哪一種效果會(huì)更好?我的信號(hào)1GHz以上，阻抗為50歐姆。在用軟件計(jì)算時(shí)，差分線對(duì)也是以50歐姆來計(jì)算嗎?還是以100歐姆來算?接收端差分線對(duì)之間可否加一匹配電阻?

答：會(huì)使高頻信號(hào)能量衰減的原因一是導(dǎo)體本身的電阻特性(conductor loss), 包括集膚效應(yīng)(skin effect), 另一是介電物質(zhì)的dielectric loss。 這兩種因子在電磁理論分析傳輸線效應(yīng)(transmission line effect)時(shí), 可看出他們對(duì)信號(hào)衰減的影響程度。 差分線的耦合是會(huì)影響各自的特性阻抗, 變的較小, 根據(jù)分壓原理(voltage divider)這會(huì)使信號(hào)源送到線上的電壓小一點(diǎn)。 至于, 因耦合而使信號(hào)衰減的理論分析我并沒有看過, 所以我無法評(píng)論。 對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫小?所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。 需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦浴?若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。 差分阻抗的計(jì)算是 2(Z11 - Z12), 其中, Z11是走線本身的特性阻抗, Z12是兩條差分線間因?yàn)轳詈隙a(chǎn)生的阻抗, 與線距有關(guān)。 所以, 要設(shè)計(jì)差分阻抗為100歐姆時(shí), 走線本身的特性阻抗一定要稍大于50歐姆。 至于要大多少, 可用仿真軟件算出來。 接收端差分線對(duì)間的匹配電阻通常會(huì)加, 其值應(yīng)等于差分阻抗的值。 這樣信號(hào)品質(zhì)會(huì)好些。